OpenGL简介

刘世光刘世光

天津大学计算机学院

OpenGL简介OpenGL简介

1 简介

2 OpenGL基本程序结构

3 OpenGL程序设计入门

1 简介

1.1 什么是OpenGL？

OpenGL是一个功能强大的开放图形库（Open Graphics Library）。其前身是SGI公司为其图形工Graphics Library）。其前身是SGI公司为其图形工作站开发的IRIS GL。为使其能够更加容易地移植到不同的硬件和操作系统，SGI开发了OpenGL。到不同的硬件和操作系统，SGI开发了OpenGL。

目前，OpenGL已成为开放的国际图形标准。

1.2 OpenGL的特点

从程序开发人员的角度来看，OpenGL是从程序开发人员的角度来看，OpenGL是一组绘图命令的API集合。

集提供 物体描OpenGL的API集提供了物体描述、平移、

旋转、缩放、光照、纹理、材质、像素、位图、文字、交互以及提高显示性能等方面的功能，基本涵盖了开发二、三维图形程序所需的各个方面。

2 OpenGL基本程序结构

2.1 Windows系统下的OpenGL函数

OpenGL函数的特点:它采用C语言风格，提供大量的函数来进行图形的处理和显示。它采用 语言风格，提供大量的函数来进行图形的处理和显示

OpenGL库函数的命名方式非常有规律。所有OpenGL函数采用了以下格式：

<库前 ><根命令><可选的参数个数><可选的参数类型>

库前 有gl glu aux glut wgl glx agl等等 分别表示该库前 有gl、glu、aux、glut、wgl、glx、agl等等，分别表示该函数属于OpenGL哪个开发库，从函数名后面中还可以看出需要多少个参数以及参数的类型。I代表int型，f代表float型，d代表double型，u代表无符号整 型 例如 lV t 3f()表示了该函数属于 l库 参数是三代表无符号整 型。例如glVertex3f()表示了该函数属于gl库，参数是三个float型参数指针。我们用glVertex*()来表示这一类函数。

OpenGL函数库相关的API有基本库(gl)、实用库( l ) 辅助库( ) 实用工具库( l t) 窗口库( l(glu)、辅助库(aux)、实用工具库(glut)、窗口库(glx、agl、wgl)和扩展函数库等。

gl是核心，glu是对gl的部分封装。glx、agl、wgl 是针对不同窗口系统的函数。glut是为跨平台的OpenGL程序的工具包 比aux功能强大 扩展函数库是硬件厂商程序的工具包，比aux功能强大。扩展函数库是硬件厂商

为实现硬件更新利用OpenGL的扩展机制开发的函数。

基本库:

OpenGL的基本库是OpenGL的核心函数库，在这个函数库中 提供了115个函数 这些函数都在这个函数库中，提供了115个函数，这些函数都是以“gl”为前 。这类API的主要功能包括物体描

述 平移 旋转 缩放 光照 纹理 材质 像素述、平移、旋转、缩放、光照、纹理、材质、像素、位图、文字处理等。

实用库:OpenGL的实用库是OpenGL基本库的一套子

实用库:

程序，它提供了43个函数，这些函数都是以”glu”为前 。基本的OpenGL不支持传统上同图形标准

相关的一些几何对象，为了减少一些编程负担，OpenGL提供了实用库。主要功能包括绘制二次曲面、NURBS曲线曲面、复杂多边形以及纹理、矩

阵管理等。

实用库中的所有函数全都是由OpenGL基本库函数来编写的，所以，在使用上和OpenGL基本库函数来编写的，所以，在使用上和OpenGL基本库

的使用是完全相同的，而且，用户也可以使用基本函数库来实现实用库的函数功能。本函数库来实现实用库的函数功能。

辅助库:OpenGL的辅助库是为了方便用户用标准C编

辅助库:p 的辅助库是为了方便用户用标准 编

写OpenGL程序而编写的。OpenGL是一个图形标准，所以，在OpenGL中没有提供窗口管理和消息事件所以，在 p 中没有提供窗口管理和消息事件响应的函数，这样使用标准C 编写OpenGL程序是很不方便的，所以提供了辅助库。它提供了31个很不方便的，所以提供了辅助库 它提供了 个函数，这些函数都是以“aux”为前 。OpenGL辅

助库提供了一些基本的窗口管理函数、事件处理助库提供了 些基本的窗 管理函数、事件处理函数和一些简单模型的制作函数等，例如，定义窗口的大小、处理键盘时间、鼠标击键事件、绘窗 的大小 处理键盘时间 鼠标击键事件 绘制多面体等等。

工具库:包含大约30多个函数，函数名前 为glut。glut是不

依赖于窗口平台的OpenGL工具包。 函数以glut开头，它们作为 库功能更强的替代品 提供更为复杂的绘制功

工具库:

们作为aux库功能更强的替代品，提供更为复杂的绘制功能，此函数由glut.dll来负责解释执行。

这部分函数主要包括：窗口操作函数：窗口初始化、窗口大小、窗口位置函数等glutInit()…回调函数：响应刷新消息、键盘消息、鼠标消息、定时器函数GlutDisplayFunc()函数GlutDisplayFunc()…创建复杂的三维物体：这些和aux库的函数功能相同；菜单函数：创建添加菜单的函数GlutCreateMenu() ；程序运行函数 l tM i L ()程序运行函数：glutMainLoop()。

2.2 一个简单的OpenGL程序

下面将通过一个简单的OpenGL 程序来说明OpenGL头文

件的使用、语法规则、程序的基本结构、程序的运行环境配置境配置。

例1 OpenGL 例程 sample.c

#include <windows.h>

#include <GL/gl h>#include <GL/gl.h>

#include <GL/glu.h>

#include <GL/glaux.h>

#include <stdio h>#include <stdio.h>

void myinit(void);

void CALLBACK myReshape(int w, int h);

void CALLBACK display(void);

void myinit(void) //初始化

{glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); //将窗口清为黑色

}}

void CALLBACK display(void)

{{

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

//将颜色缓存清为glClearColor命令所设置的颜色，即背景色

glColor4f(0 2 0 8 1 0 1 0); //选颜色(R G B)glColor4f(0.2,0.8,1.0,1.0); //选颜色(R,G,B)

glRotatef(30,1.0,1.0,0.0); //做旋转变换

auxWireCube(1.0); //绘制六面体的虚线图

glFlush(); //强制绘图，不驻留缓存glFlush(); //强制绘图，不驻留缓存

}

void CALLBACK myReshape (int w, int h) //用于窗口大小改变时的处理，与绘图无关与绘图无关

{glViewport(0,0,w,h);

}}

void main(void)

{{

auxInitDisplayMode(AUX_SINGLE|AUX_RGBA); //窗口显示单缓存和RGB(彩色)模式RGB(彩色)模式

auxInitPosition(0,0,200,200); //大小 x=200 y=200 (0,0)是屏幕左上点

I itWi d (“ l l ”) //初始化窗口 参数是标题auxInitWindow(“openglsample.c”); //初始化窗口，参数是标题

myinit();

auxReshapeFunc(myReshape);

auxMainLoop(display);

}

1. 头文件使用

若应用程序使用OpenGL核心函数，应包括头文件<GL/gl h> ；件<GL/gl.h> ；

使用GLU库函数，应包括头文件<GL/glu.h> ；

使用AUX库函数，应包括头文件<GL/glaux.h> ；

使用WGL和Win32应包括头文件<windows.h>。

2 回调（CALLBACK）函数2. 回调（CALLBACK）函数

CALLBACK函数是一些用来让系统调用的函数，CALLBACK函数是 些用来让系统调用的函数，系统调用它们来实现显示、接受输入事件功能。

3. 语法规则

OpenGL基本库的所有操作函数都是以“gl”为前 的。实用库的所有操作函数都是以“glu”为前 。辅助库的实用库的所有操作函数都是以 glu 为前 。辅助库的所有操作函数都是以“aux”为前 的。OpenGL命令带有后 。

以sample.c中的glColor4f为例，前 “gl”指这个函数是OpenGL的核心库函数，组成命令的单词首字母大写，p 的核心库函数，组成命令的单词首字母大写，如“Color”；后 “4”表示颜色值是由4个变量来表示的；“f ”表示所表示颜色的每个分量的类型为32位浮点数数。

OpenGL核心库函数常量是以“GL_”开头，均用大写字

母，并用下划线将每个关键词分开，如GL_COLOR_BUFFER_BIT。

4. 程序的基本结构

一个OpenGL程序的基本结构是很简单的，无论多么复杂的OpenGL程序，可以大致分解成以下部分：

（1）定义窗口

Wi d 系统下的O GL实现提供了 个辅助函数库Windows 系统下的OpenGL实现提供了一个辅助函数库aux，用于解决开窗口和处理输入事件等问题。

窗 管 数窗口管理函数：

首先，调用void auxInitDisplayMode(Glbitfield mask) 函数定义窗口的特性，如颜色和缓存区的性质。例如：

auxInitDisplayMode(AUX SINGLE|AUX RGBA); p y ( _ | _ );

//窗口显示单缓存和RGB(彩色)模式

其次，调用void auxInitPosition(Glint x,Glint y, Glint其次，调用void auxInitPosition(Glint x,Glint y, Glint width, Glint height)定义窗口在屏幕上的位置和大小。其中，x,y为窗口左上角的坐标，width,height 分别为窗口的宽和高(像素个数)。默认值为(0,0,100,100)。例如：

auxInitPosition(0,0,200,200); ( , , , );

//大小 x=200 y=200 (0,0)是屏幕左上点

后 完成上述两个函数调用后 用函数 id后，完成上述两个函数调用后，用函数void auxInitWindow(Glbyte *titleString)打开窗口。窗口的标题为字符串titleString 窗口把ESC键与退出函数联系起题为字符串titleString。窗口把ESC键与退出函数联系起来，可以用来关闭窗口，退出程序。例如：

auxInitWindow(“openglsample c”);auxInitWindow(“openglsample.c”);

//初始化窗口，参数是标题

处理输入事件:处理输入事件

当改变窗口尺寸、移动窗口、重新显示窗口时 由 R h F ( R h )调用函数时，由auxReshapeFunc(myReshape)调用函数myReshape重新定义窗口属性。

通常myReshape函数调用glViewPort函数，对当前图形进行裁剪，重新定义投影矩阵等。当前图形进行裁剪 重新定义投影矩阵等

OpenGL辅助函数库中还包括处理键盘和鼠标输入事件的函数输入事件的函数。

（2）初始化操作

式 系 态确 在由于OpenGL的绘图方式是由一系列的状态确定的，因而在绘制图形前需要做一些准备工作，包括清缓存区（buffer）、

定义光照模型 定义纹理映射等基本操作的初始化状态 设定义光照模型、定义纹理映射等基本操作的初始化状态、设置三维视景体、定义视口。

例如例如：

glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0); //将窗口清为黑色

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

//将颜色缓存清为glClearColor命令所设置的颜色 即背景色//将颜色缓存清为glClearColor命令所设置的颜色，即背景色

（4）使用OpenGL的库函数构造几何物体对象的（ ）使用 p 的库函数构造几何物体对象的

数学描述。包括点线面的位置和拓扑关系、几何变换、光照处理等。这是OpenGL程序的主要部分。变换、光照处理等 这是 p 程序的主要部分

在例1中，在函数void CALLBACK display(void)中写好

要绘制的三维图形，然后，在主程序中调用i i 就可让该图形 直显示auxMainLoop(display)就可让该图形一直显示。

（5）程序的微机运行环境配置（5）程序的微机运行环境配置

• 软件与硬件环境

操作系统：Windows 95/98, Windows NT

软件开发环境：Microsoft Visual C++4.0及以上版本软件开发环境：Microsoft Visual C++4.0及以上版本

硬件：奔腾级微机， 好配有支持OpenGL硬加速的图形卡

• 连接三个静态库

程序中除了包含必需的头文件如<windows.h> <GL/gl.h>程序中除了包含必需的头文件如<windows.h> <GL/gl.h> <GL/glaux.h> <GL/glu.h>外，在创建执行文件时，在VC环境设置中要连接opengl32.lib, glu32.lib和glaux.lib 三个函数库。境设置中要连接 p g , g 和g 个函数库运行已创建的执行文件时，在windows\system目录下要有opengl32.dll，glu32.dll两个动态连接库。

3 OpenGL程序设计入门3 OpenGL程序设计入门

态机OpenGL的状态机制

OpenGL中的线画图元绘制OpenGL中的线画图元绘制

3.1 OpenGL的状态机制

OpenGL的绘图方式是由一系列的状态决定的，如果设置了一种状态或模式而不改变它，OpenGL在绘图过程中将一直种状态或模式而不改变它 p 在绘图过程中将 直保持这种状态或模式。

例如，当前绘图颜色就是OpenGL 的一个状态，当选定颜例如，当前绘图颜色就是OpenGL 的 个状态，当选定颜色后，OpenGL就用这个颜色绘图。在例10.1中，以下语句

void myinit(void)void myinit(void)

{

glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0);

}}

中的函数glClearColor(0.0,0.0,0.0,0.0)将视口背景色清为黑色 如果不改变这种状态 视口背景色将一直保持为黑色色，如果不改变这种状态，视口背景色将 直保持为黑色。

再如：

glColor3f(1.0,0.0,0.0); //设置当前颜色为红色

lC l 3f(0 0 0 0 1 0) //设置当前颜色为蓝色glColor3f(0.0,0.0,1.0); //设置当前颜色为蓝色

glRectf(0.5,0.5,0.7,0.7); //绘制一个矩形

glColor3f(0.0,1.0,0.0); //设置当前颜色为绿色

glRectf(0 8 0 8 0 9 0 9);glRectf(0.8,0.8,0.9,0.9);

glRectf(0.2,0.2,0.4,0.4);

执行结果是：一个蓝色的矩形和两个绿色的矩形。执行结果是： 个蓝色的矩形和两个绿色的矩形。

3.2 OpenGL中的图元绘制

任何复杂的图形都是由基本的图元点、线和多边形组成的。边形组成的。

程序格式如下：

绘制某个 何对象 首先 须指 究竟是 种要绘制某个几何对象，首先必须指明究竟是哪种类型的几何对象（例如点、线和多边形），否则系统在执行绘图操作时无法判断究竟是画什么统在执行绘图操作时无法判断究竟是画什么。OpenGL提供了一对用于指定顶点序列操作的函数，

确定基本几何对象的类型。确定基本几何对象的类型

glBegin(…);

//描述 组顶点 用于建构某种几何对象……//描述一组顶点，用于建构某种几何对象

glEnd();

1. 点的绘制

OpenGL中点定义为一个方块，在默认状态下，点是屏幕上的一个像素。在OpenGL中，一个点是当作一屏幕上的 个像素。在OpenGL中， 个点是当作个 n（2,3,4）维向量来处理的。

OpenGL 中的点是三维的，如果用户设定二维坐标(x y) 则OpenGL在实际计算时处理的点为（x y 0）(x,y)，则OpenGL在实际计算时处理的点为（x,y,0）；对于由四维齐次坐标定义的顶点（x,y,z,w）, 在w非零时，齐次顶点（ x,y,z,w）对应于三维坐标中的点时，齐次顶点（ ,y, , ）对应于 维坐标中的点（x/w,y/w,z/w）；若w =0.0，则对应于无穷远处的点。

glVertex {2 3 4}{dfis}{v}(TYPE coords)；glVertex {2,3,4}{dfis}{v}(TYPE coords)；

例如：

lV t 2i(0 1)glVertex2i(0,1);

glVertex3d(-1.0,1.0,3.1425926);

glVertex4d(40,-15.9, 0,2);

Glfloat v[3]={ 1 2f 3 4f 5 6f}; glVertex3fv(v);Glfloat v[3]={-1.2f,3.4f,5.6f}; glVertex3fv(v);

以下操作的结果是在屏幕上绘制三个点 ：

glBegin(GL POINTS)glBegin(GL_POINTS)

glVertex3f(1.0,0.0,0.0);

glVertex3f(1.0,1.0,0.0);

glVertex3f(0.0,1.0,1.0);g ( , , );

glEnd()；

2. 线的绘制

与数学意义上两端无限延伸的直线不同，OpenGL的线是数学定义中的线段，用成对的端点来描述。如：

glBegin(GL_LINES)

glVertex2f(0 0 0 0);glVertex2f(0.0,0.0);

glVertex2f(1.0,1.0);

glEnd()；

上述操作描述了一条由坐标原点到点（1.0, 1.0）的线段。上述操作描述了 条由坐标原点到点（1.0, 1.0）的线段。

3. 多边形的绘制

多边形指封闭线段围成的区域 但O GL中可以描述多边形指封闭线段围成的区域。但OpenGL中可以描述

的多边形有两点限制：多边形的边除了多边形的顶点外不允许相交 即确保多边形为简单多边形；多边形为凸多边允许相交，即确保多边形为简单多边形；多边形为凸多边形，即任给多边形的两个内部点，其连线完全在多边形内。

多边形的描述方式如下：多边形的描述方式如下：

glBegin(GL_POLYGON);

glVertex*(v0);g ( );

glVertex*(v1);

……..

glVertex*(vn);

glEnd();

其中，*表示glVertex函数的上述任一种组合形式，由多边形顶点v0,v1,…,vn的表示形式而定。

注意：多边形顶点应按一定顺序排列（如逆时针）。

4. 矩形的绘制

由于矩形在几何体构造中出现得比较频繁，所以OpenGL提供了专门的矩形函数：OpenGL提供了专门的矩形函数：

void glRect{dfis}(TYPE x1, TYPE y1, TYPE x2, TYPE y2);

void glRect{dfis}v (TYPE *v1, TYPE *v2);

矩阵的左上、右下角点坐标分别为（x1,y1）和(x2,y2)，或者用数组指针v1、v2表示。用上述函数描述的矩形位于z=0平面内，并且各边分别平行于x、y轴。但注意：经过坐标变换之后 这些特性可能改变标变换之后，这些特性可能改变。

例10.2 基本的图元绘制程序

为简单起见，我们仅改变例 10.1 中的绘制函数 void CALLBACKdisplay(void)如下：

void CALLBACK display(void)

{

glClear(GL_COLOR_BUFFER_BIT);

//将颜色缓存清为glClearColor命令所设置的颜色，即背景色

glColor4f(1.0,1.0,1.0,1.0); //选颜色(R,G,B)

glPointSize(6.0); //设置点的大小g ( );

glBegin(GL_POINTS); //在屏幕上绘制三个点

glVertex3f(0.1,0.2,0.0);glVertex3f(0.1,0.2,0.0);

glVertex3f(0.2,0.7,0.0);

lV t 3f(0 5 0 8 0 0)glVertex3f(0.5,0.8,0.0);

glEnd();

glBegin(GL_LINES); //在屏幕上绘制一条线段

glVertex2f(0.0,0.4);

glVertex2f(-0.3,0.8);

glEnd();

glBegin(GL_POLYGON); //在屏幕上绘制一个四边形

glVertex2f(-0.6,0.0);

glVertex2f(-0.4,0.0);

glVertex2f(-0.4,0.3);

glVertex2f(-0.6,0.4);g ( , );

glEnd();

glColor3f(1.0,0.0,0.0); //设置当前颜色为红色glColor3f(1.0,0.0,0.0); //设置当前颜色为红色

glColor3f(0.0,0.0,1.0); //设置当前颜色为蓝色

glRectf(0 5 0 5 0 7 0 7); //绘制一个矩形glRectf(0.5,0.5,0.7,0.7); //绘制 个矩形

glColor3f(0.0,1.0,0.0); //设置当前颜色为绿色

glRectf(0.8,0.8,0.9,0.9); //绘制一个矩形

glRectf(0.2,0.2,0.4,0.4); //绘制一个矩形g ( )

glFlush(); //强制绘图，不驻留缓存

}}

用该函数替换例1中相应的函数后，运行的结果如下图所示。示。

OpenGL参考书OpenGL参考书

编 第 版OpenGL编程指南(第4版)

OpenGL超级宝典

(人民邮电出版社)(人民邮电出版社)